汽車關(guān)門壓耳感影響因素研究及優(yōu)化

耿聰聰，康 明，許增滿，蔣維琦，蘇麗俐

（1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300162；2.北京汽車股份有限公司 汽車研究院，北京 101300）

1 研究現(xiàn)狀

隨著傳統(tǒng)燃油車發(fā)展遇到瓶頸問(wèn)題，電動(dòng)汽車逐漸開始取代部分燃油車市場(chǎng)。目前，各大汽車公司基本全部具備電動(dòng)車研發(fā)和生產(chǎn)資質(zhì)。由于電動(dòng)車沒有傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，路噪和風(fēng)噪必然成為最重要的噪聲源。為了更好地抑制風(fēng)噪，首先需要有好的氣密性作為保障，而提升整車氣密性必然會(huì)引起明顯的關(guān)門壓耳感問(wèn)題。鑒于此，純電動(dòng)汽車關(guān)門壓耳感問(wèn)題已成為亟待解決的振動(dòng)、噪聲及聲振品質(zhì)（noise vibration harshness，NVH）熱點(diǎn)問(wèn)題。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外在汽車開關(guān)門領(lǐng)域的NVH研究主要集中在聲品質(zhì)方面，只有少部分研究者對(duì)壓耳感問(wèn)題做了仿真研究，整車試驗(yàn)方面研究相對(duì)較少。Hamilton［1］分別研究了關(guān)門噪聲品質(zhì)的幅度、持續(xù)時(shí)間和頻率成分等因素，獲得了令人主觀感受最舒適的關(guān)門聲參考值。Petniunas等［2］通過(guò)分析關(guān)門聲的響度和尖銳度，設(shè)計(jì)出了更加合理的車門結(jié)構(gòu)。李淑英等［3］通過(guò)對(duì)限位器拉桿進(jìn)行線性化處理，采用降低限位器滑塊內(nèi)彈簧剛度的方法降低關(guān)門力度。該方案成功減小了關(guān)門力，降低了關(guān)門響度，改善了該車型關(guān)門聲品質(zhì)。高云凱等［4］提出一種適用于瞬態(tài)問(wèn)題的時(shí)頻偏相干算法，該算法對(duì)某車型關(guān)門振動(dòng)噪聲的振源進(jìn)行識(shí)別，分別從時(shí)域和頻域的角度分析車門系統(tǒng)各部件對(duì)關(guān)門振動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)。周加福［5］為便于計(jì)算汽車關(guān)門力中空氣阻力，提出一種數(shù)值模擬和計(jì)算模型。高云凱等［6］推導(dǎo)和應(yīng)用氣壓阻效應(yīng)簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型解決了汽車關(guān)門時(shí)氣壓阻效應(yīng)難以定量計(jì)算的問(wèn)題，并取得了較高的精度，為相關(guān)研究提供了理論依據(jù)。Lee等［7］運(yùn)用動(dòng)網(wǎng)格仿真的方法對(duì)關(guān)門過(guò)程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)車門關(guān)閉角速度對(duì)車內(nèi)耳壓影響較大。朱建華等［8］針對(duì)車門開關(guān)門感知質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)顧客感知質(zhì)量調(diào)研、參考車對(duì)比分析和廠內(nèi)車對(duì)比分析，確認(rèn)了問(wèn)題的存在并制定了合理的優(yōu)化改進(jìn)目標(biāo)。綜合比較各優(yōu)化方案的質(zhì)量、成本、時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)等因素，通過(guò)普氏分析，得到了最優(yōu)解決方案。劉海琳［9］詳細(xì)分析了車門關(guān)閉過(guò)程中空氣壓阻的形成原理及影響因素，并結(jié)合實(shí)際問(wèn)題的解決，提出實(shí)用有效的減少空氣壓阻的改進(jìn)方法。Shin等［10］利用伽瑪通濾波器對(duì)信號(hào)作前處理提取關(guān)門聲的量化信息，通過(guò)生理聲學(xué)和統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)客車關(guān)門聲品質(zhì)的評(píng)價(jià)。張瑞［11］通過(guò)仿真的方法對(duì)泄壓孔位置對(duì)關(guān)門耳壓的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)泄壓孔的位置越集中越有利于降低壓力峰值。于劍澤等［12］首次使用實(shí)際的車型及實(shí)測(cè)的車門關(guān)閉速度進(jìn)行仿真分析，同時(shí)考慮車門與側(cè)圍的完全密封，為后續(xù)研究提供思路。周宗成等［13］通過(guò)對(duì)影響車門關(guān)閉力的因素的分析和研究，提出了基于氣壓阻力控制的改善車門關(guān)閉力過(guò)大的改善策略，并通過(guò)實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證了改善策略的可行性。傅強(qiáng)［14］研究了車門質(zhì)量、鉸鏈、限位器、門鎖、密封條和氣壓阻子系統(tǒng)對(duì)關(guān)門能量的影響。Li等［15］使用實(shí)驗(yàn)所測(cè)的最小關(guān)門速度作為輸入條件，以SST k-ω湍流模型和理想氣體作為物理模型，首次實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)與仿真的結(jié)合，且誤差小于工程上要求的15%。尹培苗等［16］研究了影響車門關(guān)門力的主要因素、機(jī)理、降低車門關(guān)門力的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、制造過(guò)程中的影響因素及裝配過(guò)程中的影響因素，提出了汽車設(shè)計(jì)過(guò)程中降低車門關(guān)門力的思路。劉堃等［17］規(guī)范了車門關(guān)閉力評(píng)價(jià)方法，并通過(guò)能量法解決了車門關(guān)閉力過(guò)大問(wèn)題。相龍洋等［18］發(fā)現(xiàn)關(guān)門時(shí)采用降低車窗的方案可以明顯降低最小關(guān)門速度和車內(nèi)耳壓，解決了關(guān)門壓耳感明顯的問(wèn)題。朱建華等［19］通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量的方法和測(cè)量系統(tǒng)分析得到了準(zhǔn)確有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合分析得出了整車氣體泄漏量與關(guān)門力之間的定量關(guān)系，為改善關(guān)門力提供了參考。周雙［20］利用虛擬樣機(jī)技術(shù)在車門前期設(shè)計(jì)研發(fā)階段建立多體動(dòng)力學(xué)模型以分析車門關(guān)閉過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性，研究了影響旋轉(zhuǎn)式車門關(guān)閉性能的主要因素，包括鉸鏈、限位器、密封條、門鎖、車門特性（鉸鏈傾角、車門重力）對(duì)關(guān)門能量的影響及質(zhì)心位置對(duì)旋轉(zhuǎn)門最小關(guān)閉速度的影響規(guī)律，為旋轉(zhuǎn)式車門的關(guān)閉性能研究提供理論與實(shí)際指導(dǎo)。蘇麗俐博士團(tuán)隊(duì)通過(guò)汽車內(nèi)流場(chǎng)仿真的方法對(duì)車內(nèi)耳壓模擬仿真，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果誤差在15%以內(nèi)，可用于汽車前期設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段。以上研究大多基于仿真分析，對(duì)整車狀態(tài)下關(guān)門壓耳感問(wèn)題影響因素分析不夠透徹，且仿真得出的解決方案并不能有效解決所有車輛關(guān)門壓耳問(wèn)題。

基于此，本文中通過(guò)對(duì)存在明顯關(guān)門壓耳感的某電動(dòng)車型進(jìn)行全面評(píng)價(jià)和分析，并通過(guò)仿真和試驗(yàn)的雙重驗(yàn)證手段明確關(guān)門壓耳感的影響因素，提出具體優(yōu)化方向，為新車型開發(fā)提供參考。

2 關(guān)門壓耳感影響因素理論分析

車門關(guān)閉過(guò)程中，空氣被擠壓進(jìn)車廂而造成車廂內(nèi)氣壓瞬間升高，人體耳膜內(nèi)外氣壓差也瞬間增大，這種壓差會(huì)通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)傳遞至大腦，使人感受到壓耳感。關(guān)門耳壓的直接研究對(duì)象是控制體積內(nèi)的氣體，控制體積包括兩部分：一部分是固定體積，主要指乘客艙內(nèi)體積；另一部分是變化體積，主要指車門關(guān)閉過(guò)程中掃過(guò)的體積。

建立1個(gè)艙體模擬封閉乘客艙［21］，如圖1所示。研究對(duì)象為控制體積（Vin+V2）內(nèi)的氣體，Vin為艙內(nèi)固定體積，V2為車門關(guān)閉時(shí)通過(guò)的體積，V2=LR2θ／2，隨關(guān)門角度變化，用A1模擬艙內(nèi)的固定泄漏面積，包括泄壓口、焊縫、車窗等。用模擬車門關(guān)閉過(guò)程中通過(guò)的面積A2=R（R+L）θ，隨關(guān)門角變化，R為車門寬度；L為車門高度；θ為關(guān)門角。

圖1 乘客艙簡(jiǎn)化模型示意圖

關(guān)門過(guò)程中，空氣被車門壓進(jìn)艙內(nèi)，根據(jù)空氣質(zhì)量守恒定理，建立如下微分方程：

式中：ρ為空氣密度；V為流出的空氣體積；ve為空氣泄漏速度；Ae為泄漏面積，Ae=A1+A2，整理方程（1）得：

根據(jù)氣體等熵變化過(guò)程可知：

式中：c為等熵指數(shù)，空氣的等熵指數(shù)c=7／5；Pa為大氣壓強(qiáng)，Pa=101 300 Pa；ρa(bǔ)為大氣密度，ρa(bǔ)=1.225 kg/m3。

對(duì)式（3）兩邊求微分，得：

將式（2）代入式（4）中，整理得到：

式（5）表示車門關(guān)閉過(guò)程中艙內(nèi)壓強(qiáng)變化率，可以明確解釋車門關(guān)閉過(guò)程中，整個(gè)乘客艙內(nèi)氣體壓強(qiáng)變化的物理過(guò)程。d P1表示車門關(guān)閉過(guò)程中乘客艙泄漏的單位體積；d P2表示車門關(guān)閉過(guò)程中被壓進(jìn)乘客艙內(nèi)的體積。由于車門關(guān)閉過(guò)程中控制體積逐漸變小，所以體積變化率為負(fù)值。

根據(jù)理想氣體伯努利方程，得到氣體泄漏速度表達(dá)式為

將式（6）代入式（5）中，整理后得到：

在實(shí)際工程研究中，關(guān)門角速度變化對(duì)應(yīng)的是氣壓波動(dòng)變化，故將體積變化率轉(zhuǎn)化為角速度變化率：

當(dāng)車門關(guān)閉時(shí)，乘客艙內(nèi)系統(tǒng)會(huì)打破原有氣壓平衡狀態(tài)，但在經(jīng)過(guò)弛豫時(shí)間τ之后，乘客艙內(nèi)氣體可以達(dá)到新的平衡狀態(tài)。弛豫時(shí)間與聲速成反比，與乘客艙長(zhǎng)成正比，故數(shù)量級(jí)為：

因此，在計(jì)算中取時(shí)間步長(zhǎng)為10-3s，認(rèn)為整個(gè)乘客艙內(nèi)各個(gè)位置壓強(qiáng)相同。關(guān)門過(guò)程中，當(dāng)θ≥14.44°時(shí)，P=Pa，那么在關(guān)門過(guò)程中任意時(shí)刻艙內(nèi)壓強(qiáng)為：

3 關(guān)門壓耳感基本影響因素試驗(yàn)分析

3.1 關(guān)閉不同車門對(duì)關(guān)門壓耳感影響分析

由表1可知，同一測(cè)點(diǎn)下，關(guān)閉前門比關(guān)閉后門時(shí)車內(nèi)關(guān)門壓耳感明顯，關(guān)閉同一位置的左右兩側(cè)車門時(shí)，關(guān)門耳壓無(wú)明顯差異。鑒于此，解決車輛關(guān)門壓耳感問(wèn)題，一般關(guān)注關(guān)閉前門對(duì)車內(nèi)氣壓波動(dòng)影響。

3.2 車內(nèi)載客情況對(duì)關(guān)門壓耳感影響分析

由表2可知，車內(nèi)不同載客數(shù)量對(duì)關(guān)門壓耳感略有影響，但主觀感受差異不大，因此，解決車輛關(guān)門壓耳感問(wèn)題時(shí)，只要保證前后狀態(tài)一致，無(wú)需考慮車內(nèi)載客數(shù)量對(duì)車內(nèi)耳壓的影響。

表1 關(guān)閉不同位置車門時(shí)車內(nèi)耳壓 Pa

表2 不同載客數(shù)量車內(nèi)關(guān)門耳壓 Pa

4 關(guān)門壓耳感影響主要因素試驗(yàn)分析

本文中所研究的關(guān)門聲品質(zhì)問(wèn)題針對(duì)當(dāng)車門以1.2 m/s的速度關(guān)閉時(shí)，車內(nèi)壓耳感明顯的問(wèn)題，特別是右后乘員位置處。

對(duì)車關(guān)門壓耳感問(wèn)題相關(guān)影響因素進(jìn)行全面試驗(yàn)分析，主要試驗(yàn)采集分析設(shè)備包括關(guān)門耳壓測(cè)試人工頭、關(guān)門速度儀等，將關(guān)門耳壓測(cè)試人工頭布置于右后乘員座椅，在門鎖處布置關(guān)門速度儀，關(guān)門耳壓測(cè)試人工頭布置如圖2所示。

圖2 關(guān)門耳壓測(cè)試人工頭布置圖

對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行時(shí)頻分析后，發(fā)現(xiàn)關(guān)門耳壓能量主要集中在50Hz以下，該頻率段恰好是人體敏感頻率段，分析結(jié)果如圖3所示。關(guān)門耳壓波動(dòng)曲線如圖4所示。

圖3 關(guān)門耳壓圖

圖4 關(guān)門耳壓波動(dòng)曲線

4.1 空調(diào)系統(tǒng)對(duì)關(guān)門壓耳感影響分析

4.1.1 空調(diào)循環(huán)模式對(duì)關(guān)門壓耳感影響分析

通過(guò)測(cè)試對(duì)比空調(diào)吹面內(nèi)外循環(huán)兩種模式關(guān)門耳壓發(fā)現(xiàn)：空調(diào)處于內(nèi)循環(huán)模式時(shí)，關(guān)門壓耳感比外循環(huán)明顯；在封堵泄壓閥的前提下，內(nèi)循環(huán)關(guān)門耳壓遠(yuǎn)大于外循環(huán)，說(shuō)明空調(diào)循環(huán)模式對(duì)關(guān)門壓耳感有較大影響。換言之，空調(diào)系統(tǒng)氣流管道是關(guān)門時(shí)車內(nèi)氣體排出的主要途徑之一，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 空調(diào)內(nèi)外循環(huán)模式關(guān)門耳壓和整車氣密性

4.1.2 空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)送風(fēng)量對(duì)關(guān)門壓耳感影響分析

通過(guò)對(duì)空調(diào)吹面模式外循環(huán)模式下鼓風(fēng)機(jī)不同擋位關(guān)門耳壓的測(cè)試可知，隨著鼓風(fēng)機(jī)送風(fēng)量的增加，關(guān)門耳壓明顯增大，主觀感受壓耳感較大，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 鼓風(fēng)機(jī)不同送風(fēng)量關(guān)門耳壓測(cè)試結(jié)果

4.2 關(guān)門速度對(duì)關(guān)門壓耳感影響分析

試驗(yàn)車在車窗關(guān)閉的正常狀態(tài)下的最小關(guān)門速度為0.92 m/s，雖然滿足前期開發(fā)對(duì)關(guān)門速度的目標(biāo)要求（0.7～1.2 m/s），但在車窗關(guān)閉狀態(tài)下，不同關(guān)門速度對(duì)關(guān)門耳壓有一定影響。從測(cè)試結(jié)果可以看出，關(guān)門耳壓峰值與關(guān)門速度成正比，關(guān)門速度越大，關(guān)門耳壓峰值越大。因此，在車輛開發(fā)過(guò)程中，為降低關(guān)門速度對(duì)關(guān)門耳壓的影響，要盡可能保證以較小的關(guān)門速度完成車門完全關(guān)閉，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 關(guān)門速度與關(guān)門耳壓峰值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

4.3 整車氣密性對(duì)關(guān)門壓耳感影響分析

一般情況下，車輛關(guān)門時(shí)被車門擠壓進(jìn)去的氣體大部分通過(guò)泄壓閥和空調(diào)進(jìn)風(fēng)口排出，也有一小部分通過(guò)車輛一些密封不嚴(yán)的孔縫排出，這就是氣密性對(duì)關(guān)門壓耳感的影響問(wèn)題?？梢酝ㄟ^(guò)封堵整車泄露點(diǎn)驗(yàn)證氣密性對(duì)關(guān)門耳壓的影響，測(cè)試結(jié)果如表4所示。從測(cè)試結(jié)果可以看出：與車內(nèi)空氣直通的泄露點(diǎn)對(duì)關(guān)門耳壓影響較大，底盤件焊縫、天窗漏液孔等比較隱蔽的泄露點(diǎn)對(duì)關(guān)門耳壓影響較小。

表4 整車氣密性對(duì)關(guān)門耳壓的影響

4.4 氣流通道對(duì)關(guān)門壓耳感影響分析

在關(guān)門過(guò)程中，車門將氣體壓到車內(nèi)，大部分氣體通過(guò)泄壓閥排出，而氣流在通過(guò)泄壓閥之前需要通過(guò)后側(cè)圍內(nèi)飾板。后側(cè)圍內(nèi)飾板對(duì)氣流通道的通暢性有很大影響，同時(shí)泄壓閥開口大小對(duì)關(guān)門壓耳感也有較大影響。

分別驗(yàn)證后側(cè)圍內(nèi)飾板和泄壓閥閥體對(duì)關(guān)門耳壓的影響。通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)可知，拆掉側(cè)圍內(nèi)飾板后關(guān)門耳壓峰值降低了26 Pa，車內(nèi)關(guān)門壓耳感不明顯。分別將單側(cè)泄壓閥和雙側(cè)泄壓閥拆掉，關(guān)門耳壓分別降低了11 Pa和23 Pa，說(shuō)明后側(cè)圍內(nèi)飾板及泄壓閥對(duì)關(guān)門壓耳感有較大影響，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 車內(nèi)氣流通道對(duì)關(guān)門耳壓的影響 Pa

5 優(yōu)化方案及驗(yàn)證

針對(duì)作為關(guān)門壓耳感主要影響因素的后側(cè)內(nèi)飾板氣流通道，在后側(cè)圍內(nèi)飾板泄壓閥位置做一定開孔處理。為避免車外噪聲通過(guò)泄壓閥通氣孔進(jìn)入車內(nèi)而引起整車車內(nèi)噪聲增大，通過(guò)整車流暢分析和主觀評(píng)價(jià)找出最佳開孔面積，開孔效果如圖7、8所示。

圖7 后側(cè)圍內(nèi)飾板通氣孔數(shù)模圖

圖8 后側(cè)圍內(nèi)飾板開孔實(shí)物圖

以CATIA數(shù)模為基礎(chǔ)建立網(wǎng)格模型，利用CFD軟件Star-ccm+模擬車門旋轉(zhuǎn)過(guò)程中車內(nèi)的壓力場(chǎng)變化情況。在后側(cè)圍內(nèi)飾板兩側(cè)分別開10 000、15 000、20 000 mm2通氣孔進(jìn)行仿真和試驗(yàn)分析，分析結(jié)果如表6所示。

表6 車內(nèi)耳壓仿真和試驗(yàn)結(jié)果 Pa

由表6可得：①車內(nèi)耳壓仿真分析結(jié)果和測(cè)試結(jié)果誤差在10%以內(nèi)，可通過(guò)仿真分析預(yù)測(cè)關(guān)門耳壓；②10 000～20 000 mm2通氣孔時(shí)車內(nèi)耳壓差別不大。考慮到10 000mm2的通氣孔對(duì)減小車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)明顯比20 000 mm2時(shí)大，因此可將10 000 mm2通氣孔作為最終優(yōu)化方案。

6 結(jié)論

1）關(guān)門耳壓主要影響頻率在50 Hz以下。

2）車門關(guān)閉過(guò)程中車內(nèi)耳壓變化機(jī)理：在關(guān)門瞬間，車內(nèi)耳壓瞬間升高，達(dá)到最大值，此時(shí)泄壓閥打開自動(dòng)泄壓，待泄壓達(dá)到一定量時(shí)車內(nèi)氣壓達(dá)到負(fù)壓，泄壓閥關(guān)閉，車內(nèi)氣壓恢復(fù)正常。

3）空調(diào)內(nèi)外循環(huán)、空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量、關(guān)門速度、整車氣密性和車內(nèi)氣流通道均有關(guān)系，其中是氣流通道主要影響因素，且易實(shí)現(xiàn)工程化優(yōu)化。

4）通過(guò)在后側(cè)圍內(nèi)飾板增加通氣孔，使車內(nèi)泄壓更通暢，既可以解決關(guān)門壓耳感的問(wèn)題，又能保證適當(dāng)?shù)年P(guān)門力和最小關(guān)門速度。